同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置和方法。本發(fā)明的同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化值的裝置，由電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)、金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)、金屬熔體存儲(chǔ)單元、電阻測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成；測(cè)量時(shí)，將待測(cè)金屬熔體倒入金屬熔體存儲(chǔ)單元中，連接好檢測(cè)回路，采用雙電極法或四電極法檢測(cè)金屬熔體的電阻和電勢(shì)差，對(duì)金屬熔體施加電磁場(chǎng)，施加至設(shè)定時(shí)間后關(guān)停電磁場(chǎng)，并繼續(xù)檢測(cè)金屬熔體的電阻和電勢(shì)差，直至電阻值回復(fù)到施加電磁場(chǎng)之前的數(shù)值。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電阻和電勢(shì)差數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、同步、連續(xù)和高精度自動(dòng)采集和處理，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)熔體結(jié)構(gòu)變化。
【專利說(shuō)明】同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬凝固之前的熔體預(yù)處理能夠改變金屬熔體結(jié)構(gòu)，提高凝固形核率，因此，金屬熔體的預(yù)處理是實(shí)現(xiàn)金屬鑄態(tài)組織細(xì)化的常用方法。最常用的預(yù)處理方式一是在金屬熔體中添加細(xì)化劑或變質(zhì)劑以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)形核，從而提高形核率，二是通過(guò)外加物理場(chǎng)預(yù)處理細(xì)化，促進(jìn)均質(zhì)形核實(shí)現(xiàn)細(xì)化，其機(jī)理之一是通過(guò)改變?nèi)垠w結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)起伏平衡狀態(tài)，進(jìn)而改變金屬熔體的近程有序結(jié)構(gòu)以提高形核率，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化。
[0003]對(duì)于熔體處理工藝的細(xì)化效果的考察，一般通過(guò)建立處理工藝參數(shù)與凝固組織之間的關(guān)系來(lái)優(yōu)化處理工藝方法與技術(shù)參數(shù)范圍。其存在的問(wèn)題是對(duì)處理效果考察存在滯后性和不連續(xù)性，即試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且無(wú)法對(duì)處理過(guò)程進(jìn)行全程考察。另外，如前所述，熔體處理細(xì)化效果在本質(zhì)上是與熔體結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的形核率變化有關(guān)，而不同的熔體處理工藝卻可能導(dǎo)致相同的凝固細(xì)化效果，即處理工藝條件與熔體結(jié)構(gòu)不見(jiàn)得是單值關(guān)系，而在冷卻條件一致時(shí)，熔體結(jié)構(gòu)與形核率和凝固細(xì)化效果卻有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，如果能夠?qū)θ垠w結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)考察，從而建立熔體結(jié)構(gòu)與細(xì)化效果之間的關(guān)系，那么只要考察一定處理?xiàng)l件下所獲得的熔體結(jié)構(gòu)變化行程，即可預(yù)測(cè)相應(yīng)的細(xì)化效果。這樣不僅可以縮短工藝優(yōu)化試驗(yàn)周期，而且可使工藝優(yōu)化更精細(xì)化。然而，金屬熔體大多處于高溫狀態(tài)，對(duì)高溫金屬熔體的實(shí)驗(yàn)研究與檢測(cè)是十分困難的。
[0004]目前對(duì)于金屬熔體結(jié)構(gòu)的表征方法，主要有直接和間接方法。直接方法是采用X射線衍射、中子衍射、同步光源輻射、擴(kuò)展X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收等技術(shù)獲得原子分布函數(shù)的徑向分布函數(shù)，從而計(jì)算得到金屬的熔體結(jié)構(gòu)，但是，直接法的檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)繁瑣，且可重復(fù)性差。熔體微觀結(jié)構(gòu)的變化必然導(dǎo)致宏觀熱力學(xué)性質(zhì)和熱物理性質(zhì)的變化，即金屬熔體的物理性質(zhì)與熔體的結(jié)構(gòu)因子密切相關(guān)，因此，間接法主要是通過(guò)檢測(cè)金屬熔體的物理性質(zhì)的變化來(lái)間接表征熔體結(jié)構(gòu)的變化。
[0005]電阻是熔體結(jié)構(gòu)的敏感物理量，也是熔體物性中最容易檢測(cè)的物理量。電阻變化的測(cè)量可以從電子層次間接推測(cè)研究金屬熔體的結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)與其他方法相比，它可提供更多的有關(guān)短程有序方面的信息。所以，通過(guò)研究外加物理場(chǎng)處理金屬熔體導(dǎo)致的電阻變化，能夠表征外加物理場(chǎng)導(dǎo)致的熔體結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而建立金屬熔體的電阻變化與凝固細(xì)化效果之間的關(guān)系。盡管有關(guān)液體金屬通過(guò)電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)來(lái)研究熔體結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，但相關(guān)研究主要集中在熔體狀態(tài)與組成變化對(duì)熔體結(jié)構(gòu)的影響，鮮有通過(guò)外加物理場(chǎng)對(duì)金屬熔體電阻的變化來(lái)檢測(cè)熔體結(jié)構(gòu)變化的方法研究。
[0006]根據(jù)金屬電子理論，與電阻率一樣，金屬熔體的熱電勢(shì)也是熔體結(jié)構(gòu)的敏感物理量。當(dāng)導(dǎo)體兩端存在一個(gè)溫度差A(yù)T時(shí)，由于電子運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性，在導(dǎo)體兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，而電勢(shì)差與溫度差的比值是一個(gè)僅決定于溫度和材料性質(zhì)的函數(shù)，稱為Seebeck系數(shù)，也通稱為熱電勢(shì)。因此，通過(guò)對(duì)金屬熔體熱電勢(shì)變化的測(cè)量，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬熔體微觀結(jié)構(gòu)變化的測(cè)量。
[0007]近年來(lái)，在金屬材料凝固過(guò)程中施加電磁場(chǎng)的技術(shù)得到快速發(fā)展，已成為制備新材料，開(kāi)發(fā)新工藝的重要手段。采用電磁技術(shù)制備材料不僅操作方便，改善材料組織性能效果明顯，而且由于電磁場(chǎng)與金屬材料的非接觸性，還能夠避免對(duì)材料本身的污染。因此，金屬熔體的電磁處理技術(shù)受到廣泛關(guān)注，其本質(zhì)上除了電磁洛倫茲力的宏觀力學(xué)效應(yīng)對(duì)凝固行為產(chǎn)生影響之外，電磁場(chǎng)導(dǎo)致的熔體結(jié)構(gòu)變化也是十分重要的影響因素。金屬熔體的電阻或熱電勢(shì)盡管均為熔體微觀結(jié)構(gòu)的敏感量，但對(duì)不同種類的金屬熔體的磁致結(jié)構(gòu)變化的敏感度可能不同，如果可以同時(shí)測(cè)得施加電磁場(chǎng)導(dǎo)致的金屬熔體的電阻變化和熱電勢(shì)變化，則可方便地選擇可以對(duì)磁致金屬熔體結(jié)構(gòu)變化更敏感的電阻變化或熱電勢(shì)變化來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)熔體結(jié)構(gòu)變化，但是目前尚未有可以同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量電磁場(chǎng)導(dǎo)致金屬熔體電阻變化或熱電勢(shì)變化的測(cè)量方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置和方法，目的是同步準(zhǔn)確測(cè)量交變電磁場(chǎng)、直流電磁場(chǎng)、振蕩電磁場(chǎng)和脈沖電磁場(chǎng)等各種均勻電磁場(chǎng)或梯度電磁場(chǎng)處理金屬熔體導(dǎo)致的電阻變化，以及由于金屬熔體的熱電勢(shì)變化導(dǎo)致的電勢(shì)差變化。
[0009]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，包括電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)、金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)、金屬熔體存儲(chǔ)單元、電阻測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成；其中，所述的電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)包括交流變頻電源、直流電源和帶水冷的勵(lì)磁線圈組成，交流變頻與勵(lì)磁線圈相連提供連續(xù)或脈沖交變電磁場(chǎng)，直流電源與勵(lì)磁線圈相連提供直流電磁場(chǎng)，交流變頻電源和直流電源分別與勵(lì)磁線圈連接提供振蕩電磁場(chǎng)；所述的金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)包括管式電阻保溫爐，金屬熔體存儲(chǔ)單元置于管式電阻保溫爐內(nèi)，管式電阻保溫爐整體置于勵(lì)磁線圈的磁場(chǎng)施加范圍內(nèi)；所述的電阻測(cè)量系統(tǒng)由內(nèi)電極、外電極、微歐表和雙設(shè)定時(shí)間繼電器組成，內(nèi)、外電極的一端插入金屬熔體儲(chǔ)存單元的熔體內(nèi)部，內(nèi)電極另一端與微歐表電壓端子相連，外電極另一端通過(guò)雙設(shè)定時(shí)間繼電器與微歐表電流端子連接或直接與微歐表電流端子相連；所述的測(cè)溫系統(tǒng)包括K型熱電偶和測(cè)溫表，K型熱電偶的一端插入金屬熔體儲(chǔ)存單元的熔體內(nèi)部，另一端與溫差測(cè)溫表相連；測(cè)溫表和微歐表，與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)相連。
[0010]其中，所述的交流變頻電源產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)頻率范圍為2?100Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.5T，直流電源產(chǎn)生的直流電磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.9T，能夠產(chǎn)生長(zhǎng)約40cm的勻強(qiáng)磁場(chǎng)或最大梯度為1.5T/m的梯度磁場(chǎng)；產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)的周期可調(diào)范圍為20?600s，脈寬在10?300s，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.7T。
[0011]所述的帶水冷的勵(lì)磁線圈由表層帶絕緣涂層的扁銅線纏繞在套筒的內(nèi)筒的外壁上，由30個(gè)圓環(huán)線圈組成,每6個(gè)圓環(huán)串聯(lián)成一個(gè)繞組,共計(jì)5繞組，當(dāng)施加連續(xù)或脈沖交變電磁場(chǎng)時(shí)，5繞組全部串聯(lián)，與交流變頻電源連接，當(dāng)施加直流電磁場(chǎng)時(shí)，5繞組全部串聯(lián)并與直流電源連接，當(dāng)施加振蕩電磁場(chǎng)時(shí)，將5繞組中最中間的和兩個(gè)邊部繞組進(jìn)行串聯(lián)并與交流變頻電源連接，另外2個(gè)繞組串聯(lián)后與直流電源連接；所述的套筒由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒是中空貫通的筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒與外筒之間通過(guò)兩個(gè)封閉的底面相連，在底面上開(kāi)設(shè)有為勵(lì)磁線圈提供冷卻水的進(jìn)水口和出水口，內(nèi)筒和底面的是由奧氏體不銹鋼制成，夕卜筒是鍍鎳碳鋼制成，套筒整體固定在固定平臺(tái)上。
[0012]所述的管式電阻保溫爐底部設(shè)置有滾動(dòng)滑輪，使其在固定平臺(tái)上的導(dǎo)軌上沿水平方向移動(dòng)并定位，保溫爐內(nèi)置有帶橡膠塞的石英管，橡膠塞中插有保護(hù)氣進(jìn)氣管和出氣管，金屬熔體存儲(chǔ)單元置于石英管內(nèi)。
[0013]所述的金屬熔體存儲(chǔ)單元是由耐火材料制成的用于儲(chǔ)存金屬熔體的容器。
[0014]所述的K型熱電偶由兩根相同熱電偶組成。兩熱電偶熱端分別置于熔體兩內(nèi)電極部位，兩N1-Al絲在冷端短接，其中一個(gè)熱電偶與測(cè)溫表相連，兩N1-Cr絲的冷端與溫差測(cè)溫表相連。
[0015]采用上述同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的方法按照以下步驟進(jìn)行:
[0016](I)將待測(cè)金屬熔體加熱到液相線溫度以上150?250°C，將內(nèi)電極、外電極和熱電偶固定于金屬熔體存儲(chǔ)單元中，并將加熱好的待測(cè)金屬熔體倒入金屬熔體存儲(chǔ)單元中，待金屬熔體凝固后把金屬熔體存儲(chǔ)單元移入石英管中，并在兩端塞好橡膠塞，然后把石英管放入管式電阻保溫爐內(nèi)的中心恒溫區(qū)位置，移動(dòng)金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)，使得金屬熔體存儲(chǔ)單元中心置于勵(lì)磁線圈水冷套筒的中心位置，并連接好檢測(cè)回路；
[0017](2)升溫管式電阻保溫爐，加熱待測(cè)金屬熔體，向石英管進(jìn)氣口通入Ar保護(hù)氣，開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，設(shè)定雙設(shè)定時(shí)間繼電器的電流換向周期為2?10s，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集待測(cè)金屬熔體的正向電阻R+和反向電阻R—、正向電勢(shì)U+和反向電勢(shì)U_，以及金屬熔體對(duì)應(yīng)的溫度和溫差，繼續(xù)升溫至測(cè)試溫度T并保持30min ；
[0018]或者測(cè)試電流不換向，只采集金屬熔體中的正向電阻R和電勢(shì)U，以及金屬熔體對(duì)應(yīng)的溫度和溫差；
[0019](3)開(kāi)啟電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)中的冷卻水進(jìn)水口閥門，開(kāi)啟交流變頻電源、直流電源或二者同時(shí)開(kāi)啟，對(duì)待測(cè)金屬熔體樣品施加電磁場(chǎng)，施加至設(shè)定時(shí)間t后關(guān)停電磁場(chǎng)，并繼續(xù)檢測(cè)金屬熔體的電阻和溫度，直至電阻值回復(fù)到施加電磁場(chǎng)之前的數(shù)值，并保持15?20min，然后保存采集數(shù)據(jù)文件；
[0020]( 4 )當(dāng)步驟(2 )中設(shè)定電流換向開(kāi)關(guān)的換向周期時(shí)，將所采集的數(shù)據(jù)文件中的正向和反向數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分別繪制正向電阻R+和反向電阻R-隨時(shí)間t變化的函數(shù)曲線圖，正向電勢(shì)U+和反向電勢(shì)U_隨時(shí)間t變化的函數(shù)曲線圖，根據(jù)式
[0021]Rdvj=UU+-U )Cl)
[0022]IZemf ={(σ++σ_)(2)其中，Rdut 代表電流換向條件下待測(cè)金屬熔體的電阻，Uemf代表電流換向條件下待測(cè)金屬熔體兩端的電勢(shì)差;
[0023]根據(jù)式(I)和式(2)，得到Rdut隨時(shí)間t的變化曲線R(t)DUT，UEMF隨時(shí)間t的變化曲線U (t) EMF，根據(jù)R (t) DUT或U (t) EMF獲得電磁場(chǎng)施加期間的待測(cè)金屬熔體的電阻相對(duì)于施加電磁場(chǎng)前電阻的變化值A(chǔ)R或電勢(shì)差變化值A(chǔ)U，以及停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電阻變化值及其變化存續(xù)時(shí)間At1，停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電勢(shì)差變化Au及其變化存續(xù)時(shí)間At2 ；
[0024]當(dāng)步驟(2)中只測(cè)正向電阻R和正向電勢(shì)U時(shí)，直接根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出在正向電流條件下，待測(cè)金屬熔體的電阻R隨時(shí)間t變化的R(t)函數(shù)曲線圖，進(jìn)而獲得獲得電磁場(chǎng)施加期間的待測(cè)金屬熔體的電阻相對(duì)于施加電磁場(chǎng)前電阻的變化值A(chǔ)R或電勢(shì)差變化值A(chǔ)U，以及停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電阻變化值及其變化存續(xù)時(shí)間At1，停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電勢(shì)差變化Au及其變化存續(xù)時(shí)間At2;
[0025](5)為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，按照步驟(2)、(3)和(4)測(cè)量多組數(shù)據(jù)。
[0026]所述的交流變頻電源產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)頻率范圍為2?100Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.5T，直流電源產(chǎn)生的直流電磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.9T，能夠產(chǎn)生長(zhǎng)約40cm的勻強(qiáng)磁場(chǎng)或最大梯度為1.5T/m的梯度磁場(chǎng)；產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)的周期可調(diào)范圍為20?600s，脈寬在10?300s，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.7T。
[0027]所述的金屬熔體是指純金屬熔體或合金金屬熔體。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是:
[0029]本發(fā)明同時(shí)測(cè)量磁致金屬熔體電阻變化和熱電勢(shì)引起的電勢(shì)差變化的測(cè)量方法是利用現(xiàn)有測(cè)量固體金屬熱電勢(shì)的原理:如圖1所示，在測(cè)試樣品C的M和N處連接測(cè)試電極B并與伏特表A連接成回路。若M和N兩點(diǎn)的溫度分別為T和T+ Λ T，而Q和P兩點(diǎn)溫度相同，Q和P兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差U=Uq-Up,設(shè)電極D和樣品C的絕對(duì)熱電勢(shì)分別為Sd和Sc，那么由電極D和樣品C之間的熱電勢(shì)引起的電勢(shì)差Uemf= (Sd-Sc) Δ Τ，通過(guò)測(cè)量出電勢(shì)差U=Uemf和Λ Τ，就可以獲得電極D與測(cè)試樣品C的熱電勢(shì)差SD-SC。
[0030]固體金屬熱電勢(shì)與金屬材料能帶結(jié)構(gòu)與所處的溫度相關(guān)，一般固體金屬材料的熱電勢(shì)與溫度呈線性關(guān)系，即當(dāng)溫度一定時(shí)，材料的能帶結(jié)構(gòu)不變，熱電勢(shì)也不變，但對(duì)于金屬熔體，在一定溫度下，其金屬熔體結(jié)構(gòu)卻可能發(fā)生變化，其產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)的能力也必然隨之改變，因此，通過(guò)測(cè)量金屬熔體的熱電勢(shì)變化也可以獲得其熔體結(jié)構(gòu)變化的信息。當(dāng)測(cè)試樣品C為金屬熔體，對(duì)其施加電磁場(chǎng)并保持M和N點(diǎn)的溫度及其溫差A(yù)T不變時(shí)，由于電極D的絕對(duì)熱電勢(shì)Sd不變，則所測(cè)量的U隨時(shí)間的變化情況即表明測(cè)試金屬熔體樣品C的熱電勢(shì)Sc發(fā)生變化，由于金屬熔體溫度保持不變，那么表明金屬熔體因電磁場(chǎng)的施加而發(fā)生了微觀結(jié)構(gòu)的變化。
[0031]采用四電極法測(cè)量電阻能夠消除回路電阻的影響，提高電阻測(cè)量的精度。但是，除了被測(cè)金屬熔體的壓降Udut=IRdut之外，仍然存在隨機(jī)以及不可預(yù)測(cè)的白噪聲Un和熱電勢(shì)引起的電勢(shì)差Uemf的影響，即四電極法測(cè)試得到的正向電壓U.= IRdut + Uemf,如果對(duì)測(cè)試直流電流進(jìn)行換向，則測(cè)試得到的反向電壓U— = -1Rdut + UEW。如果兩次測(cè)試過(guò)程中的Uemf和Un保持不變，那么，當(dāng)設(shè)定測(cè)試電流為IA時(shí)，U+ — U_ = 2RDUT，就可以獲得被測(cè)金屬熔體的電阻:
[0032]Rovt (U + -U_)(O
[0033]由U++U_=2Uemf可獲得被測(cè)試金屬熔體兩端的電勢(shì)差
[0034]Uemf =\(U+ +UJ(2)
[0035]根據(jù)噪聲勾股定律，其白噪聲為疊加噪聲K =#1/?，可見(jiàn)白噪聲的影響也只有原來(lái)的70%左右。但是在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，兩個(gè)不同測(cè)試過(guò)程要完全保證Uemf不變化是困難的，而白噪聲引起的Un更難以保證不發(fā)生隨機(jī)性變化，因此，如果能夠在一個(gè)測(cè)試行程中同步測(cè)量u+和U_，那么就可保證Uemf和Un是完全相同的,那么就可準(zhǔn)確測(cè)量出Rdut和UEMF，結(jié)合式(I)即可獲得Sa — Sb或SB。在施加電磁場(chǎng)時(shí)金屬熔體的電阻變化或電勢(shì)變化分別為AR和AU ;在施加電磁場(chǎng)將導(dǎo)致金屬熔體近程有序結(jié)構(gòu)的變化，電磁關(guān)停后仍然存在的電阻變化或電勢(shì)差變化可以反映電磁致金屬熔體變化的程度，該變化存續(xù)時(shí)間可以反映了電磁致金屬熔體變化形成的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，其變化程度和亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定程度可以由電磁場(chǎng)關(guān)停之后仍然存在的Λι■和Au以及對(duì)應(yīng)的保持時(shí)間At來(lái)表征。
[0036]本發(fā)明提供一種通過(guò)一個(gè)雙設(shè)定時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)測(cè)試電流的周期性自動(dòng)換向，在同一個(gè)測(cè)試行程中測(cè)量得到如圖2所示的電壓U(t)曲線。在換向周期很小時(shí)，可以保證測(cè)量得到的U.和U—中的Uemf和Un是相同的，從而減小測(cè)量誤差。
[0037]本發(fā)明的同時(shí)測(cè)量磁致金屬熔體電阻變化和熱電勢(shì)引起的電勢(shì)差變化的裝置具有以下主要特征:
[0038](I)本發(fā)明的多功能電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)可以為待測(cè)金屬熔體施加交變電磁場(chǎng)、直流電磁場(chǎng)和由交流電磁場(chǎng)與直流電磁場(chǎng)共同施加形成的振蕩電磁場(chǎng)，以及以上電磁場(chǎng)的連續(xù)與脈沖形式；
[0039](2)與一般采用銅管繞組線圈方法相比，本發(fā)明的多功能電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)由于采用水冷絕緣扁銅線繞組，增加了線圈的密集度，減小了線圈的熱損并增加了螺線管內(nèi)的磁通密度，因此，不僅顯著提高電磁發(fā)生效率，而且可以獲得更大的電磁場(chǎng)。本發(fā)明中交變電磁場(chǎng)頻率可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為2Hz?100Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.5T ;直流電磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.9T,直流電磁場(chǎng)可以產(chǎn)生長(zhǎng)約40cm的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，也可以產(chǎn)生最大梯度為1.5T/m的梯度磁場(chǎng)；本發(fā)明中脈沖磁場(chǎng)的周期，脈寬，磁感應(yīng)強(qiáng)度均可根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)的。可調(diào)節(jié)的周期范圍為20?600s，脈寬在10?300s，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.7T ；
[0040](3)本發(fā)明裝置通過(guò)電阻測(cè)量的四電極法結(jié)合一個(gè)可實(shí)現(xiàn)測(cè)試電流的周期性自動(dòng)換向的開(kāi)關(guān)，可在一個(gè)測(cè)試行程中同時(shí)檢測(cè)到金屬熔體隨時(shí)間變化的正向電阻R+(t)和反向電阻R_(t)，換向開(kāi)關(guān)的換向周期調(diào)節(jié)范圍為Is?900s，據(jù)此可在一測(cè)試行程中同時(shí)獲得金屬熔體的純電阻Rdut(t)或熱電勢(shì)引起的電勢(shì)差U(t)EMF，也可用簡(jiǎn)單四電極法(不用電流換向開(kāi)關(guān))測(cè)量正向電阻R(t)或U(t)；
[0041](4)本發(fā)明利用熱電偶反接來(lái)測(cè)量參考電極與熔體兩接點(diǎn)間的溫差，避免了不同測(cè)溫表及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差；
[0042](5)本發(fā)明裝置使用的檢測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由帶AD/DA高速數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和可實(shí)時(shí)連續(xù)同步顯示和存儲(chǔ)電阻和溫度數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成的。軟件系統(tǒng)為基于Microsoft Visual Basic6.0編制開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)采集卡與電阻或電阻率檢測(cè)系統(tǒng)的RS232接口和溫度模擬信號(hào)采集表的RS-485接口相聯(lián)，并通過(guò)相應(yīng)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊，測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集步長(zhǎng)范圍為0.1s?5s。實(shí)驗(yàn)完成后，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為Excel文件。
[0043](6)本發(fā)明方法為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，在金屬熔體重復(fù)使用時(shí)，無(wú)需進(jìn)行(I)步驟，將有利于提高測(cè)量數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，此外，為了消除電磁場(chǎng)處理熔體后熔體遺傳性的影響，均須在開(kāi)始以上測(cè)量操作之前把熔體加熱到液相線溫度以上至少150?250°C溫度范圍，以消除上次電磁場(chǎng)處理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0044]圖1為現(xiàn)有測(cè)量固體金屬樣品熱電勢(shì)的方法；
[0045]其中:A:伏特計(jì)；B:測(cè)量電極；C:待測(cè)固體金屬樣品；
[0046]圖2為本發(fā)明的采用測(cè)試電流周期性自動(dòng)換向時(shí)在同一個(gè)測(cè)試行程中測(cè)量得到的電壓-時(shí)間U(t)曲線示意圖；
[0047]圖3為本發(fā)明的同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]其中:1:交流變頻電源；2:直流電源；3:金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)；4:帶水冷的勵(lì)磁線圈；5:金屬熔體存儲(chǔ)單元；6:測(cè)溫表；7:數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；8:微歐表；9:雙設(shè)定時(shí)間繼電器；
[0049]圖4為本發(fā)明裝置的金屬熔體存儲(chǔ)單元、電阻測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的連接方式示意圖；
[0050]其中，10:內(nèi)電極；11:外電極；12 =N1-Cr絲；13 =N1-Al絲；14:K型熱電偶；
[0051]圖5為本發(fā)明裝置的電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)、金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)和熔體存儲(chǔ)單元的連接關(guān)系不意圖；
[0052]其中，15:石英管；16:橡膠塞；17:管式電阻保溫爐；18:滾動(dòng)滑輪；19:導(dǎo)軌；20:固定平臺(tái)；21:勵(lì)磁線圈冷卻水進(jìn)水口 ；22:勵(lì)磁線圈冷卻水出水口 ；23:保護(hù)氣進(jìn)氣管；24:保護(hù)氣出氣管；25:套筒；26:勵(lì)磁線圈；
[0053]圖6為本發(fā)明施加單一交變電磁場(chǎng)或單一直流電磁場(chǎng)時(shí)勵(lì)磁線圈的連接方式不意圖；
[0054]圖7為本發(fā)明施加振蕩電磁場(chǎng)時(shí)勵(lì)磁線圈的連接方式示意圖；
[0055]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中電磁場(chǎng)加載前后整個(gè)過(guò)程中的電阻R、金屬熔體溫度T隨時(shí)間t變化的曲線；
[0056]圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中電磁場(chǎng)加載前后整個(gè)過(guò)程中的電阻R、金屬熔體溫度T及其溫差A(yù)T隨時(shí)間t變化的曲線；
[0057]圖10為本發(fā)明實(shí)施例2中的Rdut和Uemf隨時(shí)間的變化曲線；

【具體實(shí)施方式】
[0058]本發(fā)明實(shí)施例中選用的微歐表為SB2230型直流電阻測(cè)試儀，該電阻儀采用開(kāi)爾文電橋設(shè)計(jì)，用20πιΩ檔測(cè)量，對(duì)應(yīng)分辨率為I μ Ω，測(cè)試電流為1Α，測(cè)量精度不大于讀數(shù)的±0.02% ；
[0059]溫差測(cè)溫表選用帶RS485通訊芯片的數(shù)顯表，由RS-485通訊接口以M0DBUS-RTU通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，電阻和溫度的采樣步長(zhǎng)均為Is ；
[0060]雙設(shè)定時(shí)間繼電器選用ZYSll多功能型時(shí)間繼電器，能夠?qū)崿F(xiàn)電流的周期性自動(dòng)換向；
[0061]數(shù)據(jù)采集軟件是基于Microsoft Visual Basic6.0編制開(kāi)發(fā)的,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)帶AD/DA高速數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與微歐表的RS232接口和溫差測(cè)溫表的RS-485接口相聯(lián)，并通過(guò)相應(yīng)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊，測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集步長(zhǎng)范圍為0.1s?5s。實(shí)驗(yàn)完成后，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為Excel文件。
[0062]實(shí)施例中的金屬熔體存儲(chǔ)單元為剛玉材質(zhì)耐火材料；
[0063]內(nèi)外電極為Φ 2.0mm鎢絲。
[0064]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，由電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)、金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)(3)、金屬熔體存儲(chǔ)單元(5)、電阻測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(7)組成；
[0065]其中，所述的電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)包括交流變頻電源(I )、直流電源(2)和帶水冷的勵(lì)磁線圈(4)，其中勵(lì)磁線圈由表層帶絕緣涂層的扁銅線纏繞在套筒(25)的內(nèi)筒的外壁上，由30個(gè)圓環(huán)線圈組成，每6個(gè)圓環(huán)串聯(lián)成一個(gè)繞組，共計(jì)5繞組；
[0066]當(dāng)施加連續(xù)或脈沖交變電磁場(chǎng)時(shí),5繞組全部串聯(lián)并與交流變頻電源連接，當(dāng)施加直流電磁場(chǎng)時(shí)，5繞組全部串聯(lián)并與直流電源連接；當(dāng)施加振蕩電磁場(chǎng)時(shí)，將5繞組中最中間的和兩個(gè)邊部繞組進(jìn)行串聯(lián)并與交流變頻電源連接，另外2個(gè)繞組串聯(lián)后與直流電源連接;
[0067]所述的套筒(25)由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒是中空貫通的筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒與外筒之間通過(guò)兩個(gè)封閉的底面相連，在底面上開(kāi)設(shè)有為勵(lì)磁線圈提供冷卻水的進(jìn)水口(21)和出水口(22)，內(nèi)筒和底面的是由奧氏體不銹鋼制成，外筒是鍍鎳碳鋼制成，套筒(25)整體固定在固定平臺(tái)(20)上；
[0068]所述的金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)包括管式電阻保溫爐(17)，管式電阻保溫爐(7)穿過(guò)套筒的內(nèi)筒，在管式電阻保溫爐(17)底部設(shè)置有滾動(dòng)滑輪(18)，使其在固定平臺(tái)(20)上的導(dǎo)軌(19)上沿水平方向移動(dòng)并定位，在管式電阻保溫爐(17)內(nèi)置有帶橡膠塞(16)的石英管(15)，橡膠塞(16)中插有保護(hù)氣進(jìn)氣管(23)和出氣管(24)；
[0069]所述的金屬熔體存儲(chǔ)單元(5)是由耐火材料制成的儲(chǔ)存金屬熔體的容器，其置于金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)(3)的石英管(15)內(nèi)；
[0070]所述的電阻測(cè)量系統(tǒng)由內(nèi)電極(10)、外電極(11)、微歐表(8)和雙設(shè)定時(shí)間繼電器(9)組成，內(nèi)電極(10)與微歐表相連，外電極(11)通過(guò)雙設(shè)定時(shí)間繼電器(9)與微歐表
(8)連接或直接與微歐表(8)相連；
[0071]所述的測(cè)溫系統(tǒng)包括K型熱電偶(14)和溫差測(cè)溫表(6)，所述的K型熱電偶(14)由兩根N1-Al絲(13)和兩根N1-Cr絲(12)組成，其中N1-Cr絲(12)直接與溫差測(cè)溫表(6)相連，兩根N1-Al絲(13)短接，并通過(guò)短接點(diǎn)與溫差測(cè)溫表(6)相連；
[0072]所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(7)是帶AD/DA高速數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和實(shí)時(shí)連續(xù)同步顯示和存儲(chǔ)電阻和溫度數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)組成的，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)通過(guò)通訊接口與溫差測(cè)溫儀(6)和微歐表(8)相連。
[0073]實(shí)施例1
[0074](I)待測(cè)試金屬熔體為Sn_20wt.%Pb合金熔體，將其加熱到液相線溫度以上150°C，將內(nèi)電極(10 )、外電極(11)和熱電偶(14)固定于金屬熔體存儲(chǔ)單元(5 )中，并將加熱好的待測(cè)金屬熔體倒入金屬熔體存儲(chǔ)單元(5)中，待金屬熔體凝固后把金屬熔體存儲(chǔ)單元(5 )移入石英管(15 )中，并在兩端塞好橡膠塞(16 )，然后把石英管(15 )放入管式電阻保溫爐(17)內(nèi)的中心恒溫區(qū)位置，移動(dòng)金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)(3)，使得金屬熔體存儲(chǔ)單元(5)中心置于勵(lì)磁線圈水冷套筒(25)的中心位置，并連接好檢測(cè)回路；
[0075](2)升溫管式電阻保溫爐(17)，加熱待測(cè)金屬熔體，向石英管(15)的保護(hù)氣進(jìn)氣口( 23 )通入Ar保護(hù)氣，開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件采集金屬熔體正向電流條件下的電阻R和電勢(shì)U，以及金屬熔體對(duì)應(yīng)的溫度和溫差，繼續(xù)升溫至測(cè)試溫度T = 200± I °C保溫30min
[0076](3)開(kāi)啟電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)中的冷卻水進(jìn)水口閥門，按圖6連接勵(lì)磁線圈并施加均勻交流電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)頻率為20Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度B = 0.25±0.010T，磁場(chǎng)施加時(shí)間為Λ t^lSOs，并繼續(xù)檢測(cè)金屬熔體的電阻R和溫度T隨時(shí)間t變化的數(shù)據(jù)，直至電阻值回復(fù)到施加電磁場(chǎng)之前的數(shù)值，并保持15?20min，然后保存采集數(shù)據(jù)文件；
[0077]電磁場(chǎng)加載前后整個(gè)過(guò)程中，電阻R和溫度T隨時(shí)間t變化的曲線如圖8所示，其中，Ar:所施加的電磁場(chǎng)關(guān)停之后仍存留的表征電磁致熔體結(jié)構(gòu)變化的電阻變化量；At1:反映電磁致熔體亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)保持不變的時(shí)間段；At2:電磁致熔體亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)原狀的過(guò)程；T:金屬熔體溫度；電磁場(chǎng)施加時(shí)間Atci,電阻R在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但波動(dòng)范圍逐漸向高阻值方向移動(dòng)，電磁場(chǎng)關(guān)停后仍存留的電阻變化量為AR=0.016πιΩ，此值反映了該條件下交流電磁場(chǎng)導(dǎo)致的金屬熔體微觀結(jié)構(gòu)變化程度，電阻最大變化量穩(wěn)定保持時(shí)間At1 =134s，之后在At2=852s時(shí)間內(nèi)電阻逐漸恢復(fù)為電磁場(chǎng)處理之前的狀態(tài)。
[0078]實(shí)施例2
[0079](I)待測(cè)試金屬熔體為Al-2.89wt.%Fe合金熔體，將其加熱到液相線溫度以上2500C，將內(nèi)電極(10 )、外電極(11)和熱電偶(14)固定于金屬熔體存儲(chǔ)單元(5 )中，并將加熱好的待測(cè)金屬熔體倒入金屬熔體存儲(chǔ)單元(5)中，待金屬熔體凝固后把金屬熔體存儲(chǔ)單元(5 )移入石英管(15 )中，并在兩端塞好橡膠塞(16 )，然后把石英管(15 )放入管式電阻保溫爐(17)內(nèi)的中心恒溫區(qū)位置，移動(dòng)金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)(3)，使得金屬熔體存儲(chǔ)單元(5)中心置于勵(lì)磁線圈水冷套筒(25)的中心位置，并連接好檢測(cè)回路；
[0080](2 )升溫管式電阻保溫爐，加熱待測(cè)金屬熔體，向石英管進(jìn)氣口通入Ar保護(hù)氣，開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，設(shè)定雙設(shè)定時(shí)間繼電器的電流換向周期為5s，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件采集待測(cè)金屬熔體的正向電阻R+和反向電阻R—、正向電勢(shì)U+和反向電勢(shì)U_，以及金屬熔體對(duì)應(yīng)的溫度和溫差，繼續(xù)升溫至測(cè)試溫度T=756土 1°C保溫30min ；
[0081](3)開(kāi)啟電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)中的冷卻水進(jìn)水口閥門，按圖6連接勵(lì)磁線圈并施加梯度直流電磁場(chǎng)，施加直流電磁場(chǎng)的平均強(qiáng)度B = 0.15T，強(qiáng)度梯度為1.5T/m，施加時(shí)間為Λ tQ=600s，磁場(chǎng)關(guān)停后并繼續(xù)檢測(cè)金屬熔體的電阻和溫度，直至電阻值回復(fù)到施加電磁場(chǎng)之前的數(shù)值，并保持15?20min，然后保存采集數(shù)據(jù)文件；
[0082](4)將所采集的數(shù)據(jù)文件中的正向和反向數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分別繪制正向電阻艮和反向電阻R_隨時(shí)間t變化的函數(shù)曲線圖，正向電勢(shì)U+和反向電勢(shì)U_隨時(shí)間t變化的函數(shù)曲線圖，根據(jù)式
[0083]/?|)i iT = , ~?)( 1.)
[0084]Uemf =HU++U_)(2)其中，Rdut 代表電流換向條件下待測(cè)金屬熔體的電阻，Uemf代表電流換向條件下待測(cè)金屬熔體兩端的電勢(shì)差；
[0085]根據(jù)式(I)和式(2)，得到Rdut隨時(shí)間t的變化曲線R(t)DUT，UEMF隨時(shí)間t的變化曲線U (t) EMF，根據(jù)R⑴腿或U⑴勝獲得電磁場(chǎng)施加期間的待測(cè)金屬溶體的電阻變化△ R或電勢(shì)差變化AU，以及停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電阻變化Ar及其變化存續(xù)時(shí)間At1,金屬熔體電勢(shì)差變化Au及其變化存續(xù)時(shí)間At2;
[0086]整個(gè)磁場(chǎng)加載前后整個(gè)過(guò)程中，電阻(R+和R —)、金屬熔體溫度(?Υ)和金屬熔體存儲(chǔ)單元(5)兩端的溫差(AT)隨時(shí)間變化的曲線如圖9所示，其中，R+:正向電阻隨時(shí)間的變化曲線；R_:反向電阻隨時(shí)間的變化曲線；?Υ:存儲(chǔ)單元中左側(cè)電極處金屬熔體溫度；AT:存儲(chǔ)單元中左、右兩端電極處金屬熔體溫度差；Atc1:電磁場(chǎng)施加時(shí)間；
[0087]由圖9根據(jù)式(I)和式(2)即獲得圖10所示的Rdut和Uemf隨時(shí)間的變化曲線，其中，Λ R和AU:電磁場(chǎng)施加期間的電阻和電勢(shì)差的變化量；△ r和Au:所施加的電磁場(chǎng)關(guān)停之后仍存留的表征電磁致熔體結(jié)構(gòu)變化的電阻和電勢(shì)差變化量；At1:所施加的電磁場(chǎng)關(guān)停之后電勢(shì)差迅速減小的階段；At2:電勢(shì)差迅速減小之后緩慢減小階段。
[0088]由圖10可見(jiàn)，施加此電磁場(chǎng)時(shí)，施加期間金屬熔體電阻明顯增加AR，但電磁場(chǎng)關(guān)停之后仍保留的極小而難以辨別，而施加此電磁場(chǎng)期間的電勢(shì)差減小，且減小量AU的絕對(duì)量隨電磁場(chǎng)施加時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增加之后變得平緩；電磁場(chǎng)關(guān)停之后仍保留的明顯的減小量Au,且在電磁場(chǎng)關(guān)停之后At1 = 220s時(shí)間內(nèi)由AU = 37 Li V迅速減小為Au =15 μ V，之后在Λ t2=1800s時(shí)間內(nèi)電阻逐漸恢復(fù)為電磁場(chǎng)處理之前的狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于包括電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)、金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)、金屬熔體存儲(chǔ)單元、電阻測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成；其中，所述的電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)包括交流變頻電源、直流電源和帶水冷的勵(lì)磁線圈組成，交流變頻與勵(lì)磁線圈相連提供連續(xù)或脈沖交變電磁場(chǎng)，直流電源與勵(lì)磁線圈相連提供直流電磁場(chǎng)，交流變頻電源和直流電源分別與勵(lì)磁線圈連接提供振蕩電磁場(chǎng)；所述的金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)包括管式電阻保溫爐，金屬熔體存儲(chǔ)單元置于管式電阻保溫爐內(nèi)，管式電阻保溫爐整體置于勵(lì)磁線圈的磁場(chǎng)施加范圍內(nèi)；所述的電阻測(cè)量系統(tǒng)由內(nèi)電極、外電極、微歐表和雙設(shè)定時(shí)間繼電器組成，內(nèi)、外電極的一端插入金屬熔體儲(chǔ)存單兀的熔體內(nèi)部，內(nèi)電極另一端與微歐表電壓端子相連，外電極另一端通過(guò)雙設(shè)定時(shí)間繼電器與微歐表電流端子連接或直接與微歐表電流端子相連；所述的測(cè)溫系統(tǒng)包括K型熱電偶和測(cè)溫表，K型熱電偶的一端插入金屬熔體儲(chǔ)存單元的熔體內(nèi)部，另一端與測(cè)溫表相連；測(cè)溫表和微歐表，與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于所述的交流變頻電源產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)頻率范圍為2?100Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.5T，直流電源產(chǎn)生的直流電磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.9T，能夠產(chǎn)生長(zhǎng)約40cm的勻強(qiáng)磁場(chǎng)或最大梯度為1.5T/m的梯度磁場(chǎng)；產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)的周期可調(diào)范圍為20?600s，脈寬在10?300s，磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為O?0.7T。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于所述的帶水冷的勵(lì)磁線圈由表層帶絕緣涂層的扁銅線纏繞在套筒的內(nèi)筒的外壁上，由30個(gè)圓環(huán)線圈組成,每6個(gè)圓環(huán)串聯(lián)成一個(gè)繞組,共計(jì)5繞組,當(dāng)施加連續(xù)或脈沖交變電磁場(chǎng)時(shí)，5繞組全部串聯(lián)，與交流變頻電源連接，當(dāng)施加直流電磁場(chǎng)時(shí)，5繞組全部串聯(lián)并與直流電源連接，當(dāng)施加振蕩電磁場(chǎng)時(shí)，將5繞組中最中間的和兩個(gè)邊部繞組進(jìn)行串聯(lián)并與交流變頻電源連接，另外2個(gè)繞組串聯(lián)后與直流電源連接；所述的套筒由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒是中空貫通的筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒與外筒之間通過(guò)兩個(gè)封閉的底面相連，在底面上開(kāi)設(shè)有為勵(lì)磁線圈提供冷卻水的進(jìn)水口和出水口，內(nèi)筒和底面的是由奧氏體不銹鋼制成，外筒是鍍鎳碳鋼制成，套筒整體固定在固定平臺(tái)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于所述的管式電阻保溫爐底部設(shè)置有滾動(dòng)滑輪，使其在固定平臺(tái)上的導(dǎo)軌上沿水平方向移動(dòng)并定位，保溫爐內(nèi)置有帶橡膠塞的石英管，橡膠塞中插有保護(hù)氣進(jìn)氣管和出氣管，金屬熔體存儲(chǔ)單元置于石英管內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于所述的金屬熔體存儲(chǔ)單元是由耐火材料制成的用于儲(chǔ)存金屬熔體的容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于所述的K型熱電偶由兩根相同熱電偶組成。兩熱電偶熱端分別置于熔體兩內(nèi)電極部位，兩N1-Al絲在冷端短接，其中一個(gè)熱電偶與測(cè)溫表相連，兩N1-Cr絲的冷端與溫差測(cè)溫表相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是帶AD/DA高速數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和實(shí)時(shí)連續(xù)同步顯示和存儲(chǔ)電阻和溫度數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)組成的，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)通過(guò)通訊接口與溫差測(cè)溫儀和微歐表相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置，其特征在于所述的金屬熔體是指純金屬熔體或合金金屬熔體。
9.采用權(quán)利要求1所述的一種同步測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的裝置測(cè)量磁致金屬熔體電阻和電勢(shì)差變化的方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: (1)將待測(cè)金屬熔體加熱到液相線溫度以上150?250°C，將內(nèi)電極、外電極和熱電偶固定于金屬熔體存儲(chǔ)單元中，并將加熱好的待測(cè)金屬熔體倒入金屬熔體存儲(chǔ)單元中，待金屬熔體凝固后把金屬熔體存儲(chǔ)單元移入石英管中，并在兩端塞好橡膠塞，然后把石英管放入管式電阻保溫爐內(nèi)的中心恒溫區(qū)位置，移動(dòng)金屬熔體加熱和保護(hù)系統(tǒng)，使得金屬熔體存儲(chǔ)單元中心置于勵(lì)磁線圈水冷套筒的中心位置，并連接好檢測(cè)回路； (2)升溫管式電阻保溫爐，加熱待測(cè)金屬熔體，向石英管進(jìn)氣口通入Ar保護(hù)氣，開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，設(shè)定雙設(shè)定時(shí)間繼電器的電流換向周期為2?10s，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集待測(cè)金屬熔體的正向電阻R+和反向電阻R—、正向電勢(shì)U+和反向電勢(shì)U_，以及金屬熔體對(duì)應(yīng)的溫度和溫差，繼續(xù)升溫至測(cè)試溫度T并保持30min ； 或者測(cè)試電流不換向，只采集金屬熔體中的正向電阻R和電勢(shì)U，以及金屬熔體對(duì)應(yīng)的溫度和溫差； (3)開(kāi)啟電磁場(chǎng)施加系統(tǒng)中的冷卻水進(jìn)水口閥門，開(kāi)啟交流變頻電源、直流電源或二者同時(shí)開(kāi)啟，對(duì)待測(cè)金屬熔體樣品施加電磁場(chǎng)，施加至設(shè)定時(shí)間t后關(guān)停電磁場(chǎng)，并繼續(xù)檢測(cè)金屬熔體的電阻和溫度，直至電阻值回復(fù)到施加電磁場(chǎng)之前的數(shù)值，并保持15?20min，然后保存米集數(shù)據(jù)文件； (4)當(dāng)步驟(2)中設(shè)定電流換向開(kāi)關(guān)的換向周期時(shí)，將所采集的數(shù)據(jù)文件中的正向和反向數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分別繪制正向電阻R+和反向電阻R-隨時(shí)間t變化的函數(shù)曲線圖，正向電勢(shì)U+和反向電勢(shì)U_隨時(shí)間t變化的函數(shù)曲線圖，根據(jù)式 及 DUT= 士 (V+—V—)(O υ^.=\φ++υ_)(2)其中，Rdut代表電流換向條件下待測(cè)金屬熔體的電阻，Uemf代表電流換向條件下待測(cè)金屬熔體兩端的電勢(shì)差； 根據(jù)式(I)和式(2)，得到Rdut隨時(shí)間t的變化曲線R(t)DUT，Uemf隨時(shí)間t的變化曲線U⑴勝，根據(jù)R (t) DUT或U (t) EMF獲得電磁場(chǎng)施加期間的待測(cè)金屬熔體的電阻相對(duì)于施加電磁場(chǎng)前電阻的變化值A(chǔ)R或電勢(shì)差變化值A(chǔ)U，以及停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電阻變化值及其變化存續(xù)時(shí)間At1，停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電勢(shì)差變化Au及其變化存續(xù)時(shí)間At2 ； 當(dāng)步驟(2)中只測(cè)正向電阻R和正向電勢(shì)U時(shí)，直接根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出在正向電流條件下，待測(cè)金屬熔體的電阻R隨時(shí)間t變化的R(t)函數(shù)曲線圖，進(jìn)而獲得獲得電磁場(chǎng)施加期間的待測(cè)金屬熔體的電阻相對(duì)于施加電磁場(chǎng)前電阻的變化值A(chǔ)R或電勢(shì)差變化值A(chǔ)U，以及停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電阻變化值△ r及其變化存續(xù)時(shí)間△ A，停止施加電磁場(chǎng)后的金屬熔體電勢(shì)差變化Au及其變化存續(xù)時(shí)間At2; (5)為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，按照步驟(2)、(3)和(4)測(cè)量多組數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01R19/10GK104166047SQ201410146283
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】樂(lè)啟熾, 張建鋒, 王紅玲, 劉軒, 張志強(qiáng), 崔建忠 申請(qǐng)人:東北大學(xué)